离心式压缩机的制作方法

专利名称：离心式压缩机的制作方法
技术领域：
本发明涉及涡轮增压器等的离心式压縮机。
本申请是根据日本专利申请No.2006-294409作出的，该文献的内 容在此援引以作参考。
背景技术：
以往，例如在汽车用内燃机中使用的涡轮增压器等离心式压縮机 是众所周知的。
图17以及图18为显示以往的离心式压縮机中主要部分的剖面图。 在图中所示的离心式压縮机10中，在壳体11内，设有多个叶片12的 叶轮13旋转，从而压縮从壳体11外部导入的气体或空气等流体。以 此方式形成的流体的流动(气流)通过形成叶轮13外周端的叶轮出口 (以下，称为"扩散器入口" ) 14、扩散器通道15以及涡管(未示出) 被输送至外部。另外，图中的标号16为叶轮13旋转的轴中心线。
上述扩散器通道15设置在叶轮出口 14与涡管之间，并且，其为 通过使从叶轮出口 14排出的气流减速而使动压恢复至静压的通道。该 扩散器通道15通常由一对相对的壁面形成，在以下的说明中，将相对 的一对壁面中的一个称为护罩(shroud)侧壁面15a,将另一个称为轮毂 侧壁面15b。
由于在与内燃机组合使用的汽车用涡轮增压器中，要求较宽的压 縮机工作范围，因此，通常采用不具有叶片的类型的扩散器(无叶片 式扩散器)。 由于涡轮增压器的工作范围是由压縮机确定的，因此，要求工作 范围较大的压缩机。另外，如图19所示，工作流量的最小限度是通过
喘振(surging)等不稳定现象限定的，限定最小流量的喘振流量Qs与 限定最大流量的节流流量Qc之间形成了流量范围。因此，为了拓宽压 縮机的工作范围，必需防止喘振的手段。
上述喘振的引发是由不具有叶片的扩散器通道15内的逆流引起 的。在图18中，以虚线显示了喘振时的护罩侧壁面15a的逆流区域， 以实线显示了在开始失速时的护罩侧壁面15a的逆流区域。
作为防止离心式压縮机的喘振的现有技术，提出了设置根据排出 流量、最适调整扩散器的流道截面面积的节流部。该节流部是由形成 扩散器中一侧部的盘状扩散器侧板构成的。该扩散器侧板设置在形成 于扩散器上的凹部中，并可向流道截面侧往复自由运动(例如，参见 实开平6 — 83897号公报的图1)。
但是，特别是在车载用涡轮增压器中，希望提高发动机加速时的 增压，并且，必需压力比在小流量、低旋转下仍较高的压縮机。另外， 众所周知，通过改变对压縮机的工作范围具有较大影响的扩散器通道 15的通道宽度，可以实现喘振流量Qs的控制，从而能够大幅度改善工 作范围。在这种扩散器通道的可变机构中，必需均匀、正确地实施通 道宽度的可变控制。

发明内容
本发明是针对上述情况作出的，其目的在于提供一种离心式压縮 机，该压缩机在离心式压縮机的扩散器通道中，能够均匀、正确地实 现通道宽度的可变控制。
为了解决上述课题，本发明采用了以下手段。
本发明的离心式压縮机，在无叶片式扩散器上设置构成无叶片式 扩散器中一侧壁面的环状可动部，并使该环状可动部的位置变化，从 而调整扩散器通道的宽度，其中设有螺纹机构，该机构可以使上述 可动部相对于壳体、绕叶轮旋转轴转动，并使上述可动部沿叶轮旋转 轴的周向转动，从而使其沿上述扩散器通道宽度的方向移动。
根据这种离心式压縮机，由于设置了螺纹机构，该机构通过使可 动部相对于壳体、可以绕叶轮旋转轴转动，并使可动部沿叶轮旋转轴 的周向转动，从而使其沿扩散器通道宽度的方向移动，因此，扩散器 通道宽度的变化由螺纹的节距与转数乘积来表示，扩散器通道宽度能 够在可动部不会倾斜的情况下均匀地平行移动地变化。
在上述发明中，最好设置止动件，该止动件在上述扩散器宽度的 最大位置处限制上述可动部的移动，以使上述扩散器通路宽度不会大 于叶轮出口宽度。以此方式，能够防止通道宽度扩大至必需以上。
在上述发明中，最好上述螺纹机构相对于推压力相互抵消的位置 设置在外径侧或内径侧，以使气流作用于上述可动部的推压力为相同 方向，以此方式，由于在可动部侧与固定部侧的啮合部总是能够形成 密封功能，因此，能够防止或减小气流的泄漏。
在这种情况下，上述螺纹机构最好设置在气流作用于上述可动部 上的推压力的一部分相互抵消且推压力方向不会变化的半径位置处。 采用这种结构，由于在可以减小使可动部旋转的驱动力的同时，推压 力的方向不会变化，因此，在啮合部处不会出现松动，因而优选。
根据上面所述的本发明，由于设置了螺纹机构，该机构可以使可 动部相对于壳体旋转，另外，还能够以扩散器通道宽度的方向使该可 动部移动，因此，扩散器通道的宽度W由螺纹的节距与转数乘积表示，
扩散器通道宽度在可动部不会倾斜的情况下均匀地平行移动地变化。
所以，扩散器通道的宽度w通过螺纹机构可以实现均匀、正确的可变
控制，从而能够提供工作范围较大的离心式压縮机。


图1显示了本发明的离心式压縮机的一个实施方式，其为显示扩
散器周边的主要部分的剖面图2显示了本发明的离心式压縮机的一个实施方式，其为显示扩 散器通道的流道宽度W达到最大状态的主要部分放大图3显示了本发明的离心式压縮机的一个实施方式，其为显示扩 散器通道的流道宽度W达到最小状态的主要部分放大图4为显示使图1所示的可动部旋转的驱动机构的结构例的剖面
图5为显示使图1所示的可动部旋转的驱动机构的结构例的剖面 图，其为图4的左侧视图6显示了关于本发明的离心式压縮机的流量(Q)-压力比的性 能曲线；
图7显示了驱动量确定过程的框图8显示了本发明的作用，并且其显示了可动部平行移动的状态； 图9显示了可动部倾斜的状态；
图io为扩散器通道的主要部分放大图，其显示了在可动部的内周
侧设置螺纹机构的状态；
图11为扩散器通道的主要部分放大图，其显示了在可动部的外周 侧设置螺纹机构的状态；
图12为显示图IO的作用的说明图13为显示图11的作用的说明图14为显示本发明的其他实施方式的说明；
图15为显示图14的螺纹的视图，其为在一侧设有螺纹的例子； 图16为显示图14的螺纹的视图，其为在两侧设有螺纹的例子；
图n为显示离心式压縮机的现有技术例的视图，其显示了扩散器周边的主要部分的剖面图18为显示离心式压縮机的现有技术例的视图，其显示了扩散器 通道的气流；
图19显示了关于以往的离心式压縮机的流量(Q)-压力比的性能曲线。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的离心式压縮机的一个实施方式进行说明。
在图1 图3所示的离心式压縮机IOA中，在壳体11内，设有多 个叶片12的叶轮13以轴中心线16为中心旋转，并压縮从壳体11外 部导入的气体或空气等流体以形成气流。将该气流从叶轮出口 (扩散 器入口) 14导入扩散器通道15A，并且在通过扩散器通道15A时使其 减速并恢复静压之后，通过图中未示出的涡管，将气流送向外部。
扩散器通道15A为无叶片式扩散器，并且，通过相对设置一对护 罩侧壁面15a以及轮穀侧壁面15b形成。其中，在无叶片式扩散器的一 个壁面上，例如在护罩侧壁面15a上，设有形成护罩侧壁面15a—部分 的环状可动部20。该可动部20通过改变其位置，能够调整扩散器通道 宽度W。
可动部20以扩散器入口 14为起点设置至下游侧的中途。但是， 若可动部20的起点为扩散器入口 14，则其终点并不受特别限制。
可动部20为与叶轮13同轴设置的大致环形的板状件，并通过螺 纹机构21与壳体11螺纹连接。结果，可动部20可以相对于壳体11、 以轴中心线16为中心转动，并且，可动部20沿扩散器通道宽度W的 方向，如空白箭头17那样进行往复平行移动。
在图中所示的例子中，在可动部20的内周侧上设置螺纹机构21， 通过该螺纹机构21，使可动部20与壳体11形成螺纹结合。即，在护 罩侧壁面15a上形成凹部18，在可动部20的环形内周面上设置螺纹部 21a，在壳体ll侧的凹部18上设置与螺纹部21a螺纹结合的螺纹部lla， 通过由螺纹部21a与螺纹部11a构成的螺纹机构21，使可动部20与壳 体ll螺纹结合。
另外，通过在位于扩散器入口 14的可动部20的下端角部19 (可 动部20的环形内周部的轮毂侧壁面15b侧的角部)上实施R加工，从 而即使在可动部20向扩散器通道15A侧移动的情况下，也难以在气流 的流动中产生紊乱。
接着，在图4及图5中显示使可动部20转动的驱动机构20的一 个例子而进行说明。
在该驱动机构30中，在壳体11的规定位置处可转动地支承1个 或多个小齿轮31，并使其与形成于可动部20外周侧的驱动用齿轮部 22啮合。结果，若通过图中未示出的电动机等驱动源，使小齿轮31向 所希望的方向转动，则驱动用齿轮部22与小齿轮31啮合的可动部20 向与小齿轮31相反的方向转动。在这种驱动机构30中，由于小齿轮 31的转数与可动部20的转数是通过齿轮比确定的，因此，通过螺纹机 构21的转动变化的扩散器通道宽度W的控制性较高。
若可动部20这样转动，则根据其转动方向，通过螺纹机构21使 可动部20向空白箭头17的方向平行移动以改变其位置。结果，在最 大Wa(参见图2)与最小Wi (参见图3)之间适当调整扩散器通道宽 度W。
此时，最好设置以扩散器通道宽度W的最大位置Wa限制可动部 20的移动的止动件，以使扩散器通道宽度W不超过最大的Wa，从而
防止扩散器通道宽度w扩大至必需值以上。即，设置止动件，以使扩 散器通道宽度w不大于叶轮出口宽度。
作为上述止动件的具体例子，其结构例如如图3所示，通过在壳 体11侧设置止动面lib并使可动部20侧的限制面20a与该可止动面 llb接触，从而限制可动部20的移动。
或者，也可以采用的结构如图4及图5所示，通过在可动部20上 设置与小齿轮31相对的限制面20a，并且，适当地选择上述小齿轮31 的齿宽(厚度)，从而使可动部20侧的限制面20a与小齿轮31接触， 由此限制可动部20的移动，以限定可动部20的可动宽度。另外，由 于在工作流量不同的离心式压缩机10A中，扩散器通道15A的调整范 围也是不同的，因此，通过改变小齿轮31的齿宽，能够使驱动机构30 等具有互换性。
如上所述，若通过螺纹机构21使可动部20平行移动，从而可以 改变扩散器通道宽度W，则如图6所示，通过减小扩散器通道宽度W， 能够降低喘振流量Qs。 g卩，扩散器通道宽度W达到最大Wa时的喘振 流量Qs伴随扩散器通道宽度W的减小，在最小Wi时减小最大的值AQ。 因此，通过适当调整扩散器通道宽度W，离心式压縮机IOA工作的流 量Q的范围比以往的Qs/Qc间向低流量侧扩展AQ。
因此，在将上述离心式压縮机IOA用于涡轮增压器的情况下，例 如如图7所示，在控制部，制作与发动机工作状态以及可动部20的驱 动量相关的数据库，根据输入的发动机工作状态的数据实施驱动量确 定。之后，若输出此处确定的驱动量的信号以使驱动机构30工作，则 可动部20旋转以平行移动至所希望的位置。
此时，由于采用了螺纹机构21，因此，通过螺纹的节距长度P与 转数N的乘积(PXN)，能够正确计算可动部20的平行移动量。
并且，通过釆用螺纹机构21，如图9所示，可动部20不会以夹 持轴中心线16的方式沿轴向倾斜，因此，如图8所示，通过沿轴中心 线16的均匀的平行移动，能够形成具有均匀通道宽度的扩散器通道 15A。另外，通过螺纹的节距长度P与转数N，能够将在这种情况下的 移动量控制至正确的值。
另外，在螺纹机构21中，可动部20侧的螺纹部21a与壳体11侧 的螺纹部1 la通过承受气流的压力而使其相互的螺纹面彼此紧贴，从而 能够发挥密封功能。因此，能够防止或抑制气流从在可动部20与固定 侧的壳体11之间形成的间隙泄漏并通过可动部20的背面侧再次返回 扩散器通道15A的循环流动(参见图12中的实线箭头F)的形成。在 图中所示的例子中，由于恢复静压的高压作用于可动部20的背面侧， 因此，向扩散器通道15A侧推压可动部20并使螺纹面彼此紧贴。
可是，在上述实施方式中，虽然如图IO所示说明了在可动部20 的内周侧设置螺纹部21a的结构，但是，例如，也可以如图ll所示， 在可以将螺纹部21a设置在可动部20的外周侧。
在图10所示的结构(将螺纹部21a设置在可动部20的内周侧的 结构)中，如图12所示，通过扩散器通道15A恢复静压的高压的出口 压力P2通过间隙S作用于可动部20的背面侧。另一方面，在扩散器 入口 14的附近，在恢复静压之前，低压的入口压力Pl通过螺纹机构 21的密封作用，不会作用于可动部20的背面侧。此时，由于在扩散器 通道15A内流动的气流的压力P从入口压力Pl上升至出口压力P2， 因此，作用于背面侧的出口压力P2高于在扩散器通道15A内流动的压 力P的平均值。因此，通过压力差推压可动部20的力为始终朝向扩散 器通道15A的空白箭头17a的方向。
在图11所示的结构(将螺纹部21a设置在可动部20的外周侧的
结构)中，如图13所示，通过在扩散器通道15A中恢复静压之前，低 压的入口压力Pl通过间隙S作用于可动部20的背面侧。另一方面， 在扩散器出口的附近，恢复静压的高压的出口压力P2通过螺纹机构21 的密封作用，不会作用于可动部20的背面侧。此时，由于在扩散器通 道15A内流动的气流的压力P从入口压力Pl上升至出口压力P2，因 此，作用于背面侧的入口压力Pl低于在扩散器通道15A内流动的压力 P的平均值。因此，通过压力差推压可动部20的力为始终朝向壳体11 的空白箭头17b的方向。
这样，由于通过压力差推压可动部20的力总是为相同的方向，并 且，不会因工作条件而切换推压方向，因此，能够获得始终保持螺纹 机构21的密封功能的防止泄漏的效果。换句话说，由于将螺纹机构21 相对于推压力相抵消的位置设置在外径侧或内径侧，以使作用于可动 部20的气流的推压力达到相同的方向，因此，能够获得始终保持螺纹 机构21的密封功能的防止泄漏的效果。因此，在螺纹机构21的密封 机构存在泄漏的情况下，如图中实线箭头F所示，气流泄漏并产生从 高压侧向低压侧流动的循环流动，从而降低离心式压縮机10A的效率， 但是，若通过压力差推压可动部20的力始终为相同的方向，则能够抑 制或消除这种效率降低。
在图14 图16所示的其它实施方式中，将螺纹机构21A设置在 可动部20的内外周中途的位置处。在这种情况下，固定侧的螺纹件40 可以在图15中所示的任意一侧上设置螺纹部，或者，也可以是在图16 所示的两侧上设有螺纹部的螺纹件40A。
在图14所示的结构中，在可动部20的气流流动方向，与中间相 比，将螺纹件40设置在扩散器入口 14侧。因此，在可动部20的背面 侧，作用有低压的入口压力P1以及高压的出口压力P2。
其中，入口压力P1作用于螺纹件40下方的背面侧，出口压力P2
作用于螺纹件40上方的背面侧。所以，在螺纹件40的上方，通过出 口压力P2与流过扩散器通道15A内的螺纹件40上方的压力P的平均 值的压力差，向由空白箭头17c所示的扩散器通道15A侧推压可动部 20。
然而，在螺纹件40的下方，通过入口压力Pl与流过扩散器通道 15A内的螺纹件40下方的压力P的平均值的压力差，向由空白箭头17d 所示的壳体11侧推压可动部20。
此时，由于通过受压面积与压力的差，作用于可动部20上的逆向 力达到不同值，因此，相互抵消后剩余的力的绝对值减小。并且，由 于作用于可动部20的力朝向增大的方向，即，在图中所示的例子中， 沿空白箭头17c所示的扩散器通道15A的方向作用的力增大，因此， 推压力总是朝向扩散器通道15A的方向作用。因此，通过螺纹机构21A 的螺纹面之间总是朝相同的方向紧贴，能够发挥密封功能。另外，通 过沿气流的流动方向改变螺纹件40的位置，从而能够将推压力始终作 用的方向设定成所希望的方向。
根据这种结构，由于对应设有螺纹件40的位置，使向扩散器通道 15A侧推压可动部20的力与向壳体ll侧推压可动部20的力相互抵消， 因此，能够降低使可动部20转动所必需的驱动力。即，若螺纹机构21A 的设置位置处于与作用于可动部20上的气流的推压力的一部分相抵消 的半径位置并且处于推压力不变化的位置，则在以较小的驱动力使可 动部20转动的同时，能够防止在啮合部因推压力方向变化引起的松动， 因此，能够容易地进行扩散器通道15A的通道宽度控制，同时，能够 降低在螺纹机构21A等的滑动部产生的磨损。
在上面所述的本发明中，由于设置了螺纹机构21， 21A，该机构 可以使可动部20相对于壳体11转动，并且，还能够以扩散器通道宽 度W的方向使该可动部20移动，因此，通道宽度W由螺纹的节距P与转数W的乘积表示，在可动部20在不会倾斜地均匀平行移动的情况 下变化。因此，扩散器通道15A的通道宽度W通过螺纹机构21、21A， 可以实现均匀、正确的可变控制，从而能够容易地提供工作范围较大 的离心式压縮机。
可是，在上述本实施方式中，虽然将扩散器通道15A作为无叶片 式扩散器进行了说明，但是，例如，也可以如图2，图3中以假想线所 示，将其应用于具有翼高h较低且不接触轮毂侧壁面15b范围的叶片 23的叶片式扩散器。
本发明不应局限于上述实施方式，在不脱离本发明思想的情况下 可作出适当的变化。
权利要求
1.离心式压缩机，其中，在无叶片式扩散器上设置构成无叶片式扩散器中一侧壁面的环状可动部，并使该环状可动部的位置变化，从而调整扩散器通道的宽度，其特征在于其设有螺纹机构，该机构可以使所述可动部相对于壳体、绕叶轮旋转轴转动，并使所述可动部沿叶轮旋转轴的周向转动，从而使其沿所述扩散器通道宽度的方向移动。
2. 根据权利要求l所述的离心式压縮机，其特征在于设有止动 件，该止动件在所述扩散器宽度的最大位置处限制所述可动部的移动， 以使所述扩散器通路宽度不会大于叶轮出口宽度。
3. 根据权利要求1或2所述的离心式压縮机，其特征在于所述 螺纹机构相对于推压力相互抵消的位置设置在外径侧或内径侧，以使 作用于所述可动部的气流的推压力为相同方向。
4. 根据权利要求3所述的离心式压縮机，其特征在于所述螺纹 机构设置在气流作用于所述可动部上的推压力的一部分相互抵消且推 压力方向不会变化的半径位置处。
全文摘要
本发明提供了一种离心式压缩机，在离心式压缩机的扩散器通道中，能够均匀、正确地实现通道宽度的可变控制。在使设置在无叶片式扩散器上的环状可动部位置变化来调整扩散器通道宽度的离心式压缩机中，设有螺纹机构，该机构可以使所述可动部相对于壳体、绕叶轮旋转轴转动，并使可动部沿叶轮旋转轴的周向转动，从而使其沿扩散器通道宽度的方向移动。
文档编号F04D29/46GK101173683SQ200710181210
公开日2008年5月7日 申请日期2007年10月25日 优先权日2006年10月30日
发明者东森弘高, 富田勋, 白石隆 申请人:三菱重工业株式会社